[發明專利]一種采用勢壘高度漸變量子壘的LED結構及其制備方法

有效

• 申請號: 201110151410.2
• 申請日: 2011-06-07
• 公開（公告）號: CN102820395A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 發明（設計）人: 王成新;王強;徐現剛;李樹強;曲爽
• 申請（專利權）人: 山東華光光電子有限公司
• 主分類號: H01L33/14
• 分類號: H01L33/14;H01L33/06;H01L33/00
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 許德山

技術領域

本發明涉及一種采用勢壘高度漸變量子壘的LED結構及其制備方法，屬于光電子技術領域。

背景技術

III?V族寬禁帶直接帶隙半導體具有寬帶隙、高電子遷移率、高熱導率、高硬度、穩定的化學性質、較小介電常數和耐高溫的一系列優點，因此其在高亮度藍色發光二極管、藍色半導體激光器以及抗輻射、高頻、高溫、高壓等電子電力器件中有著廣泛的實際應用和巨大的市場前景。GaN是半導體III族氮化物的基本材料，質地堅硬，且化學性質異常穩定，室溫下不與酸、堿反應，不溶于水，具有較高的熔點1700℃。GaN具有優秀的電學性質，電子遷移率最高可達900cm²/(V·s)。n型摻雜的GaN材料很容易得到，但是p型摻雜GaN卻不易得到，p型GaN曾經是GaN器件的制約瓶頸。在熱退火技術提出之后，GaN較容易地實現了Mg雜質的摻雜，目前p型載流子濃度可以達到10¹⁷～10²⁰/cm3。近十幾年來，采用緩沖層的外延技術和p型摻雜的提高，使得GaN基器件研究重新振興，變為熱點。

GaN基多量子阱發光二極管(LED)已經進入市場并取得很大進展，但是芯片出光效率低下并且衰減的問題仍未得到很好解決。

現有的LED結構是在藍寶石(α-Al₂O₃)或者碳化硅(SiC)襯底上沿著[0001]方向外延得到的GaN基材料存在自發極化和壓電極化，致使能帶產生嚴重彎曲，如圖1。傳統通用結構中，InGaN量子阱和GaN量子壘之間由于存在極化效應，阱和壘的能帶產生形變。形變的量子阱對載流子的束縛能力大幅下降，產生很大的漏電流。而且量子壘的形變對載流子尤其是空穴的輸運產生附加勢壘，使空穴不能均勻的分布在各個量子阱內，只能集中在靠近p側的一兩個阱內。因此傳統結構LED的內量子效率在較高電流密度注入下出現衰減。

《物理學報》2010年7月，第7期，第59卷中公開一篇《In組分漸變提高InGaN/GaN多量子阱發光二極管發光性能》，文中披露：利用金屬有機物化學氣相趁機系統在藍寶石襯底上通過有源層的變溫生長，得到In組分漸變的量子阱結構，從而獲得具有三角形能帶結構的InGaN/GaN多量子阱發光二極管，該結構有效提高了量子阱中電子和空穴波函數的空間交疊，從而增加了LED的內量子效率，進而提高了LED的發光效率。本文獻是針對發光二極管中每個量子阱的組分漸變；文獻中所記載的In組分漸變三角形量子阱，雖然在每個阱的低In組分一側與GaN量子壘的極化效應很弱，但是在阱高In一側依然與GaN量子壘存在較高的極化效應，因此該結構只能部分提高載流子的空間重合率，但是對空穴的輸運沒有提高作用，因此對整個器件的效率提高非常有限。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供一種采用勢壘高度漸變量子壘的LED結構，與傳統量子勢壘高度恒定的LED結構相比，本發明不但大幅度提高了空穴濃度的分布，而且量子阱壘之間的極化場也得到有效減弱，最終達到了提高器件量子效率的目的。

本發明還提供一種上述LED結構的制備方法。

發明概述

本發明采用AlGaInN材料作為量子壘材料，通過調節Al和In組分，使量子壘的禁帶寬度從n側到p側逐漸減小，即形成勢壘高度漸變的Al_uGa_1-u-vIn_vN量子壘。本發明采用勢壘高度漸變的Al_uGa_1-u-vIn_vN量子壘結構的優點在于：1.使得從p側注入的空穴能夠有效輸運至較遠的阱內，提高空穴的分布；2.由于勢壘高度較小的量子壘與量子阱之間的極化效應相對較弱，因此采用上述結構提高了對載流子的束縛能力，也增強了電子和空穴波函數的空間重合率；3.增強了LED結構的內量子效率和光輸出功率。

發明詳述